專利名稱：電動機速度控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及控制電動機速度的電動機速度控制裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及能夠消除擾動轉矩影響的電動機控制裝置。
用于VCR中的主導軸電機或磁鼓電機必須保持恒定的速度。

圖11是這種電機的常規(guī)的速度控制環(huán)的原理方框圖。在圖11中，元件100是用在VCR中的主導軸電機或磁鼓電機;元件110是產(chǎn)生頻率信號FG的頻率發(fā)生器，其頻率與電機100的速度成正比;元件120是用來檢測頻率信號FG的周期的周期檢測器;元件130是計算周期誤差△TFG的比較器，△TFG為輸入的所需周期Tr與來自周期檢測器120的檢測到的周期TFG之差;元件140是計算控制信號C的算法單元，例如，控制信號C等于(Kp+Ki/s)△TFG，其中Kp為比例增益，Ki是積分增益，S是拉普拉斯算子。元件150是按照控制信號C供給電機100驅動電流Ia的電機驅動電路。
在圖11的控制環(huán)中，由磁帶輸送、電機轉矩脈動、外部振動等引起的擾動轉矩加到電機100上。擾動轉矩的影響表現(xiàn)在電機速度的波動。即使擾動產(chǎn)生速度波動，整個控制環(huán)沿方向作用以減少速度波動，控制環(huán)的增益越高，抑制擾動的程度越大。不過，增益是有限的，因為如果控制環(huán)的增益太高時將使整個系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài)。換句話說，如果擾動轉矩大，就會因為抑制程度不能增加而不能使電機速度的波動得到充分的抑制。
近來，提出了各種電機控制裝置，利用擾動轉矩觀測器來抑制擾動轉矩的影響。例如，在Proc.IEEE Int.Conference，Robotics and Automation，Vol.1，326-331(1987)中的“A Robust Decontralized Joint Control Based on Interference Estimation”，中描述了一種這樣的裝置。在這種裝置中，擾動轉矩觀測器根據(jù)電機的速度和電機的驅動指令來估計加到電機上的擾動轉矩。驅動轉矩根據(jù)來自擾動轉矩觀測器的估計擾動轉矩被校正。其結果是消除了擾動轉矩的影響和電機速度的波動。
不過，如圖11所示的用于VCR中的電機控制裝置借助于使所需周期Tr與檢測周期TFG之間的差減小到零來保持電機速度恒定。因此，需要把檢測到的周期轉換成速度，以便在VCR中用常規(guī)的擾動轉矩觀測器來控制電動機。這一轉換使得硬件或軟件程序的運行順序復雜了。而且，采用家用VCR中使用的處理器來實現(xiàn)根據(jù)常規(guī)擾動轉矩觀測器的消除擾動轉矩的處理是困難的，這種VCR的性能不是很高，因為常規(guī)的轉矩觀測器的結構復雜。
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種具有較簡單的轉矩觀測器的電機控制裝置，其適用于VCR并可充分抑制由于擾動轉矩而產(chǎn)生的電機速度的波動。
為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的電機控制裝置包括用來產(chǎn)生與電機速度成正比的頻率的頻率信號的頻率發(fā)生器;用來檢測該頻率信號的周期的周期檢測器;用來計算周期誤差信號的比較器，該誤差信號等于所需周期與由周期檢測器檢測到的周期之差;一個根據(jù)周期誤差信號計算控制信號的算法單元;根據(jù)驅動信號給電機供電的電機驅動電路;用來計算估計擾動信號的擾動轉矩觀測器，估計擾動信號是根據(jù)檢測周期信號和驅動信號使加在電機上的擾動轉矩轉換成的電信號，略去擾動轉矩本身的估計，及用來借助于把控制信號加到估計擾動信號上來計算驅動信號的轉矩校正單元。
擾動轉矩觀測器利用檢測到的周期信號直接作為其輸入信號。因此，不需要為擾動轉矩觀測器的操作而把檢測到的周期轉換為電機的速度。此外，擾動轉矩觀測器直接計算轉換成電信號的擾動轉矩的轉換值，而不計算擾動轉矩本身。結果，按照本發(fā)明的擾動轉矩觀測器的結構比常規(guī)的擾動轉矩觀測器簡單。
因而，本發(fā)明提供的電機控制裝置可以容易地應用在常規(guī)的電機控制裝置上，這種控制裝置借助于使檢測到的頻率信號的周期與所需周期之差減少到零來保持電機速度恒定。此外，因為轉矩校正單元的作用消除了擾動轉矩的影響，按照本發(fā)明的電機控制裝置能夠充分地抑制由擾動轉矩產(chǎn)生的電機速度的波動。
圖1A是本發(fā)明電機控制裝置第一實施例的原理方框圖;
圖1B是第一實施例的擾動轉矩觀測器的方框圖;
圖2A是本發(fā)明電機控制裝置第二實施例的原理方框圖;
圖2B中第二實施例的擾動轉矩觀測器的方框圖;
圖3是本發(fā)明第三或第四實施例的擾動轉矩觀測器的方框圖;
圖4A是說明第三實施例運行順序的流程圖;
圖4B是說明第三實施例的擾動轉矩觀測器的操作順序的詳細流程圖;
圖5A是說明第四實施例的操作順序的流程圖;圖5B是說明第四實施例的擾動轉矩觀測的操作順序的一部分的詳細的流程圖;
圖5C是說明第四實施例的擾動轉矩觀測器的操作順序的其余部分的流程圖;
圖6是本發(fā)明第五實施例的擾動轉矩觀測器的方框圖;
圖7A是說明第五實施例操作順序的流程圖;
圖7B是說明第五實施例擾動轉矩觀測器的操作順序的一部分的詳細流程圖;
圖7C是說明第五實施例擾動轉矩觀測器的操作順序的其余部分的流程圖;
圖8是說明本發(fā)明第六實施例的操作順序流程圖;
圖9是本發(fā)明第七實施例的原理方框圖;
圖10A是說明第七實施例的操作順序流程圖;
圖10B是說明第七實施例當周期誤差超出一固定邊界時擾動轉矩觀測器的操作順序的流程圖;以及圖11是用于VCR中的先有技術電機控制裝置的方框圖。
下面描述本發(fā)明的第一實施例。圖1A中，元件100是電動機;元件110是產(chǎn)生頻率信號FG的頻率發(fā)生器，其頻率正比于電機100的速度;元件120是周期檢測器，它檢測頻率信號FG的周期;元件130是計算周期誤差△TFG的比較器，△TFG是所需周期Tr與由周期檢測器120輸出的檢測周期TFG之差;元件140是根據(jù)周期誤差△TFG計算控制信號C的算法單元;元件150是根據(jù)驅動信號D供給電機100驅動電流Ia的電機驅動電路;元件1是擾動轉矩觀測器，用來計算估計的擾動轉矩信號d1;元件10是轉矩校正單元，用來根據(jù)估計擾動轉矩d1校正控制信號C，并以驅動信號D作為其輸出結果。
圖1A所示的本發(fā)明的第一實施例的操作如下擾動轉矩Td加到電機100上。周期檢測器120檢測由頻率發(fā)生器110發(fā)生的頻率信號FG的周期。比較器130從所需周期Tr(常數(shù))中減去檢測到的周期信號TFG，并以周期誤差△TFG輸出相減的結果。算法單元140計算控制信號C，例如它可以等于(Kp+Ki/S)△TFG，其中Kp是比例增益，Ki是積分增益，S是拉氏算子。轉矩校正單元10把控制信號C加到由擾動轉矩觀測器1輸出的估計擾動信號d1上，并以驅動信號D輸出相加的結果。擾動轉矩觀測器1計算估計的擾動信號的操作將在后面說明。驅動電路150根據(jù)驅動信號D向電機100提供驅動電流Ia。
按照這些過程，電機100的速度被控制，使得周期誤差減小到零。換句話說，電機100的速度保持為恒值。如果估計的擾動信號為零，這些過程則基本上和圖11所示的常規(guī)電機控制裝置相同。
在圖1B中，元件11是把增益設定為常數(shù)K的增益設定單元，元件12是第一加法器;元件13是第二加法器以及元件14是一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)為ω0/(s+ω0)，其中ω0是截止角頻率。常數(shù)K表示如下K＝ω0· (J)/(Kt) · 1/(Kamp) · (2π)/(Z) · 1/(Tr2) (1)其中J是電機100的慣量，Kt是轉矩常數(shù)，Kamp是驅動電路150的增益，Z是由頻率發(fā)生器100產(chǎn)生的每轉脈沖數(shù)。
圖1B所示的擾動轉矩觀測器1的作用如下來自周期檢測器120的檢測周期TFG乘以常數(shù)K，其結果借助于第一加法器12被從驅動信號D中減去。第一加法器的輸出送入低通濾波器14。第二加法器13把低通濾波器14的輸出和乘積的輸出相加并把其結果作為估計擾動信號d1輸出。
如上所述，借助于轉矩校正單元10把估計擾動信號d1加到控制信號C上。借助于這一轉矩校正，擾動轉矩Td的影響以及電機速度的波動被消除了。
下面對實現(xiàn)抑制擾動轉矩的影響進行說明。
從圖1B所示的方框圖中可以得到表明估計擾動d1，檢測周期TFG以及驅動信號D之間的關系下式d1＝ (ω0)/(s+ω0) ·(D+ (J)/(Kt) · 1/(Kamp) · (2π)/(Z) · 1/(Tr2) ·STPG) (2)其中d1，D和TFG是s-域的函數(shù)。
然后假定x(t)代表檢測周期的時域函數(shù)，y(t)代表電機100的角速度的時域函數(shù)，即假定如下TFG＝ (ω0)/(s+ω0) ｛X(t)｝， ω＝ ｛y(t)｝ (3)其中 表示進行拉氐變換，ω表示電機100的速度的s域函數(shù)。
x(t)和y(t)之間的關系如下y(t)＝ (2π)/(Z) · 1/(x(t)) (4)因電機100被控制使其速度恒定，故檢測周期x(t)在所需周期Tr(常數(shù))的一鄰域內(nèi)變化，因此，當x(t)＝Tr時，式(4)的時間微分如下
(dy)/(dt) ＝ (2π)/(Z) · 1/(Tr2) · (dx)/(dt) (5)對式(5)兩邊取拉氏變換，利用式(3)得如下結果sω＝- (2π)/(Z) · 1/(Tr2) ·sTPG(6)因此，利用(6)式，式(2)變成d1＝ (ω0)/(s+ω0) ·(D- (J)/(Kt) · 1/(Kamp) ·sω) (7)另一方面，擾動轉矩Td，驅動信號D和電機100的速度ω之間有如下關系Td＝KtKampD-Jsω(8)此處Td是s域函數(shù)因而，利用式(8)，式(7)變成d1＝ (ω0)/(s+ω0) · 1/(Kt) · 1/(Kamp) ·Td (9)式(9)表明，估計擾動信號d1等于擾動轉矩Td乘以轉矩常數(shù)Kt的倒數(shù)，乘以驅動電路150的增益的倒數(shù)，再乘以低通濾波器14的傳遞函數(shù)。換句話說，估計擾動信號d1由擾動轉矩Td的轉換信號的低頻分量組成，具有控制信號C的量綱(dimension)。
相應地，圖1A中從擾動轉矩Td到電機100的速度ω的傳遞函數(shù)G(s)，利用(9)式變成G(s)=(1-ω0s+ω0)GC(s) =ss+ω0Gc(s) (10)]]>其中Gc(s)代表從擾動轉矩Td到圖11中常規(guī)電機控制裝置的電機速度ω的傳遞函數(shù)。
因而，式(10)的右邊第一項，即s/(s+ω0)，表示由擾動轉矩觀測器1獲得的效果。這一項表示一階高通濾波器的傳遞函數(shù)，它的截止角頻率為ω0。這說明擾動轉矩觀測器1能夠消除由擾動轉矩Td引起的電機100的速度的波動，擾動轉矩Td具有低于ω0/(2π)的頻率。
按照本發(fā)明的第一實施例，擾動轉矩觀測器不需要把檢測周期轉換成電機速度，因為擾動轉矩觀測器可以直接利用檢測周期TFG作為其輸入信號。此外，本發(fā)明的擾動轉矩觀測器具有比常規(guī)的擾動轉矩觀測器簡單的結構，因為這種觀測器直接地把擾動轉矩Td轉換為電信號C而不需確定實際的擾動轉矩Td本身。因此，它可以被容易地應用于電機控制裝置，以保持與頻率信號周期有關的電機速度為恒值。結果，不必使用于電機控制的硬件和軟件復雜化便可消除電機速度的波動。
本發(fā)明的第二實施例描述如下在圖2A中，元件2是第二實施例的擾動轉矩觀測器。因為其它元件和圖1的相同，它們的說明被省略。
在圖2B中，元件11是用來把增益設定為常數(shù)K的增益設定單元;元件12是第一加法器;元件13是第二加法器;元件14是一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)為ω0/(s+ω0)。如圖2B所示，擾動轉矩觀測器2的結構與圖1B中所示的擾動轉矩觀測器1的結構相同。不過，擾動轉矩觀測器2和擾動轉矩觀測器1的區(qū)別在于，它用周期誤差△TFG代替了檢測周期TFG。換句話說，擾動轉矩觀測器2根據(jù)誤差信號△TFG和驅動信號D計算估計擾動信號d2。
圖2B中的擾動轉矩觀測器2的操作如下。由比較器130輸出的周期誤差信號△TFG乘以常數(shù)K。其結果借助于加法器12和驅動信號D相加。第一加法器的輸出送至低通濾波器14。第二加法器13從乘的結果中減去低通濾波器14的輸出，并把減的結果作為估計擾動信號d2輸出。
估計擾動信號d2借助于轉矩校正單元10加到控制信號C上。用這一轉矩校正，擾動轉矩Td的影響被消除，因而消除了電機100的速度波動。
下面說明抑制擾動轉矩影響的實現(xiàn)過程。
由圖2B所示的方框圖可以得出下式，它表示估計擾動信號d2、誤差信號△TFG以及驅動信號D之間的關系d2＝ (ω0)/(s+ω0) (D- (J)/(Kt) · 1/(Kamp) · (2π)/(Z) · 1/(Tr2) ·s△TPG) (11)其中d2和△TFG是s域函數(shù)。
我們可以假定ω(t)表示周期誤差的時域函數(shù)。即假定如下△TFG＝ ｛ω(t)｝ (12)并且x(t)和ω(t)之間有如下關系ω(t)＝Tr-x(t)(13)在(13)式中，因為所需的周期Tr是常數(shù)，式(13)兩邊的時間微分如下(dω)/(dt) ＝- (dx)/(dt) (14)另一方面，如上所述，x的時間微分和y的時間微分之間的關系由式(5)給出。因此，利用式(5)，式(14)變成(dω)/(dt) ＝ (2π)/(Z) · 1/(Tr2) · (dy)/(dt) (15)對式(15)兩邊取拉氏變換，利用式(3)和(12)得結果如下Sω＝ (2π)/(Z) · 1/(Tr2) ·s△TPG(16)因此，利用式(16)，式(11)變?yōu)?br> d2＝ (ω0)/(s+ω0) ·(D- (J)/(Kt) · 1/(Kamp) ·sω) (17)比較式(2)和(11)可見，估計擾動信號d2等于擾動轉矩觀測器1輸出的估計擾動信號d1。因而，估計擾動信號d2和擾動轉矩Td之間的關系由同一公式(9)表示。
因此，按照本發(fā)明第二實施例，我們可以得到和第一實施例相同的結果。而且，因為周期誤差信號△TFG的值小于檢測到的周期TFG的值，擾動轉矩觀測器2的動態(tài)范圍可能較擾動轉矩觀測器1的動態(tài)范圍窄。
下面說明本發(fā)明的第三實施例，它是使用軟件伺服結構(Servo arrangement)的第二實施例的改型。
第三實施例結構和圖2A所示的第二實施例相同。在使用軟件伺服結構的情況下，借助于周期檢測器120、比較器130、算法單元140、校正單元10和擾動轉矩觀測器2的操作借助于使用一處理器實現(xiàn)，它根據(jù)存儲在存貯器中的軟件程序進行操作。
圖3是為利用軟件伺服而改型的擾動轉矩觀測器2的方框圖，即其中低通濾波器14被數(shù)字式地仿真。
在圖3中，元件41是把增益設定為α1的增益設定單元;元件45是把增益設定為常數(shù)α2的增益設定單元;元件43和46是用來實現(xiàn)采樣時間Ts滯后的滯后單元;元件42和44是加法器。低通濾波器14的傳遞函數(shù)Q1(Z)由下式給出Q1(Z)＝ (a2(1+z-1))/(1-a1z-1) (18)
其中α1和α2在采樣時間為Ts時有如下形式a1=2-ω0Ts2+ω0Ts(19)a2=ω0Ts2+ω0Ts(20)]]>用s-z變換把一階低通濾波器的連續(xù)傳遞函數(shù)Q(s)＝ω0/(s+ω0)進行變換，得傳遞函數(shù)Q1(z)，s-z變換如下s＝ 2/(Ts) · (1-z-1)/(1+z-1) (21)因為這種變換是熟知的，其說明省略。
圖4A是說明第三實施例的操作順序的流程圖，圖4B是說明圖3所示的擾動轉矩觀測器2的操作順序的詳細流程圖。
方塊50確定是否頻率信號FG的邊沿已輸入給處理器。如果該邊沿已被輸入，操作進入下一方框51，如果沒有進入，則操作返回方框50，即方框50的操作被重復進行，直到邊沿輸入為止。方框51存貯邊沿輸入的時間，并根據(jù)這一輸入時間和上次輸入時間的差值計算檢測周期TFG。方框51相當于由圖2A所示的周期檢測器120進行的操作。方框52借助于從所需周期Tr中減去檢測周期TFG計算周期誤差△TFG。這一方框52相當于圖2A所示的比較器130進行的操作。方框53由周期誤差△TFG和先前存貯的存貯數(shù)據(jù)M1計算估計擾動信號d2。該方框53相當于圖3所示的擾動轉矩觀測器2進行的操作。這些方框操作的詳細情況將在后面說明。方框54計算控制信號C，它是伺服補償，例如比例和積分補償?shù)慕Y果。該方框相當于圖2A所示的算法單元140進行的操作。因為如何利用軟件實現(xiàn)這種補償是熟知的，其詳細說明被省略了。方框55計算驅動信號D，它是借助于把估計擾動信號d2加到控制信號C上獲得的。該方框55相當于圖2A所示的校正單元140完成的操作。方框56把驅動信號D存貯在存儲器中作為存儲數(shù)據(jù)M1，該數(shù)據(jù)在方框53當下一個頻率信號FG的邊沿輸入時被使用。方框56相當于圖3所示的滯后單元完成的操作。最后，方框57對驅動信號D提供D/A(數(shù)字對模擬)轉換。方框57之后，操作轉向方框50，上述操作被重復進行，與頻率信號FG同步。
另一方面，D/A轉換器提供給驅動電路150相應于驅動信號D的電壓。驅動電路150根據(jù)這一電壓給電機100提供驅動電流Ia。結果，電機100的速度得到控制，使周期誤差減少為零，并且保持恒定。
下面描述方框53進行的操作。
如圖4B所示，方框53由方框530-537組成。方框530計算數(shù)字數(shù)據(jù)a，它是周期誤差△TFG乘以常數(shù)K的結果。該方框530相當于增益設定單元11進行的操作。方框531借助于把上述的存儲數(shù)據(jù)M1加到數(shù)字數(shù)據(jù)a上計算數(shù)字數(shù)據(jù)b。該方框531相當于第一加法器12完成的操作。方框532計算數(shù)字數(shù)據(jù)p，它是存儲數(shù)據(jù)M2乘以常數(shù)α2的結果，此處的M2已事先被存放在存儲器中。該方框532相當于由增益設定單元41進行的操作。方框533借助于把數(shù)字數(shù)據(jù)b加到數(shù)字數(shù)據(jù)p上計算數(shù)字數(shù)據(jù)q。該方框533相當于由加法器42進行的操作。方框534借助于把上述的存儲數(shù)據(jù)M2加到數(shù)字信號q上計算數(shù)字數(shù)據(jù)v1。該方框534相當于由加法器44進行的操作。方框535把數(shù)字數(shù)據(jù)v1存儲在存儲器中作為存儲數(shù)據(jù)M2，當頻率信號的下一邊沿輸入時用于方框532和534。該方框535相當于圖3所示的滯后單元43進行的操作。方框536計算數(shù)字數(shù)據(jù)v2，它是數(shù)字數(shù)據(jù)v1乘以常數(shù)α2的結果。該方框536相當于由增益設定單元45進行的操作。最后，方框537借助于從數(shù)字數(shù)據(jù)v2中減去數(shù)字數(shù)據(jù)a計算估計擾動信號d2。該方框537相當于由第二加法器13進行的操作。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，我們可以得到和第二實施例相同的結果，因為圖3中的擾動轉矩觀測器2的結構使得其作用和圖2A所示的相同。
本發(fā)明的第四實施例，它是第三實施例的改型，它由于處理器的操作而縮短了時間滯后，描述如下。
圖5A是用來說明第四實施例操作順序的流程圖，圖5B和5C是說明圖3所示的擾動轉矩觀測器2的操作順序的詳細流程圖。因為第四實施例的結構和第三實施例相同，其結構的說明被省略了，只對其操作順序說明如下。
在圖5A中，只有相當于圖3中擾動轉矩觀測器2進行的操作的方框58和59不同于圖4中的這些方框。因此，只對這些方框加以說明。
方框58根據(jù)周期誤差△TFG和先前貯存的存儲數(shù)據(jù)M1計算估計擾動信號d2。方框59執(zhí)行由擾動轉矩觀測器進行的方框58未執(zhí)行的操作。
方框58由圖5B所示的6個方框組成。雖然每個方框都如上所述，但其操作順序的次序不同。首先，方框530計算數(shù)字數(shù)據(jù)a，它是周期誤差△TFG乘以常數(shù)K的結果。該方框530相當于由增益設定單元11進行的操作。方框531借助于把上述的存儲數(shù)據(jù)M1加到數(shù)字數(shù)據(jù)a上計算數(shù)字數(shù)據(jù)b。該方框531相當于由第一加法器12進行的操作。方框533借助于把數(shù)字數(shù)據(jù)b加到先前計算出的數(shù)字數(shù)據(jù)P上計算數(shù)字數(shù)據(jù)q。該方框533相當于由加法器42進行的操作。方框534計算數(shù)字數(shù)據(jù)v1，借助于把先前存儲在存儲器中的存儲數(shù)據(jù)M2加到數(shù)字數(shù)據(jù)q上進行計算。該方框534相當于由加法器44進行的操作。方框536計算數(shù)字數(shù)據(jù)v2，它等于數(shù)字數(shù)據(jù)v1乘以常數(shù)α2。該方框536相當于由增益設定單元45進行的操作。最后，方框537借助于從數(shù)字數(shù)據(jù)v2中減去數(shù)字數(shù)據(jù)a計算估計擾動信號d2。該方框537相當于由第二加法器13進行的操作。
方框59由兩個方框組成，即方框535和532。方框535把數(shù)字數(shù)據(jù)q作為存儲數(shù)據(jù)M2存儲在存儲器中，它是在方框533中算出的。該存儲數(shù)據(jù)M2在方框534當頻率信號FG的下一個邊沿輸入時被使用。該方框535相當于圖3中的滯后單元43進行的操作。方框532計算數(shù)字數(shù)據(jù)P，借助于用常數(shù)α2乘以在前面方框535中存儲的存儲數(shù)據(jù)M2進行計算。該方框532相當于增益設定單元41進行的操作。
在軟件伺服中，由于處理器操作的時間滯后引起變劣的伺服性能。因此，需要盡可能地減少這一時間滯后。當使用高性能的處理器時則不發(fā)生這一問題。不過，當使用的處理器的運算速度不是非常快時，例如在家用的VCR中的伺服處理器，這一問題將成為嚴重的。
在圖4A或圖5A說明的操作順序中，這一時間滯后近似等于這樣一個時間間隔，即從頻率信號的邊沿被輸入的時刻到驅動信號D被輸入D/A轉換器的時刻。
在另一方面，在處理器的算術運算中，乘法一般比加減用時間長得多。
因而，為了縮短由于處理器的操作引起的時間滯后，重要的是減少在驅動信號輸出之前進行的乘法次數(shù)。
根據(jù)圖4A所示的第三實施例，操作順序需要作三次乘法，它們在驅動信號D被輸出之前在方框530，532和536內(nèi)進行。在這些乘法運算中，方框532的乘法可以在驅動信號D輸出之后進行。第四實施例的操作順序就作了這樣的修正。
因此，按照第四實施例，由于時間滯后的伺服性能的變差被減少了，這是因為時間滯后被縮短了。不用說，可以獲得和第三實施例一樣的抑制擾動轉矩影響的相同的效果。
本發(fā)明的第五實施例描述如下，它是為利用軟件伺服對第二實施例的另一改型。
第五實施例的結構和圖2A所示的第二實施例的相同。如前所述，在采用軟件伺服時，由周期檢測器120、比較器130、算法單元140、校正單元10和擾動轉矩觀測器2的執(zhí)行操作通過使用處理器實現(xiàn)，該處理器按照存儲器中的軟件程序進行操作。
圖6是為利用軟件伺服而改型的擾動轉矩觀測器2的另一程序框圖，即，其中的低通濾波器14采用了數(shù)字仿真來實現(xiàn)。
在圖6中，元件61是增益設定單元，把增益設定為常數(shù)β1;元件64是用來把增益設定為常數(shù)β2的增益設定單元;元件63是一滯后單元，用來提供一個采樣時間Ts的滯后。低通濾波器14的傳遞函數(shù)Q2(z)由下式給出Q2(z)=β2(1+z-1)1-β1z-1(22)]]>此處常數(shù)β1、β2利用采樣時間Ts表示如下β1＝1-ω0Ts (23)
β2＝ω0Ts (24)傳遞函數(shù)Q2(z)借助于利用s-z變換來變換一階低通濾波器的連續(xù)傳遞函數(shù)Q(s)＝ω0/(s+ω0)獲得，s-z變換如下S＝ 1/(Ts) · (1-z-1)/(z-1) (25)因為這一變換是熟知的，其說明被省略。
圖7A是說明第五實施例的操作順序的流程圖。圖7B和7C是說明圖6所示的擾動轉矩觀測器2的操作順序的詳細流程圖。
在圖7A中，只有相當于由圖6中擾動轉矩觀測器2完成的操作的方框70和71與圖4A的這些方框不同。因此，只對這些方框說明如下方框70根據(jù)周期誤差△TFG和先前存儲的數(shù)據(jù)M1計算估計擾動信號d2。方框71進行在方框70中沒有進行的由圖6所示的擾動轉矩觀測器2進行的操作。
主框70包括兩個方框，即700-701，如圖7B所示。首先，方框700借助于用常數(shù)K乘誤差周期△TFG計算數(shù)字數(shù)據(jù)a。該方框700相當于由增益設定單元11進行的操作。然后，方框701借助于把數(shù)字數(shù)據(jù)a從先前計算的數(shù)字數(shù)據(jù)v3中減去計算估計擾動信號d2。該方框701相當于由第二加法器13進行的操作。
方框71由4個方框組成，即方框710-713，如圖7C所示。首先，方框710借助于把先前存儲在存儲器中的存儲數(shù)據(jù)M1加到數(shù)字數(shù)據(jù)a上來計算數(shù)字數(shù)據(jù)b。該方框710相當于由第一加法器12進行的操作。方框711計算數(shù)字數(shù)據(jù)P1，借助于用常數(shù)β1乘先前存儲在存儲器中的存儲數(shù)據(jù)M3進行計算。該方框711相當于由增益設定單元61進行的操作。方框712借助于用常數(shù)β2乘上述的存儲數(shù)據(jù)M3計算數(shù)字數(shù)據(jù)v3。該方框712相當于由增益設定單元64進行的操作，并且數(shù)字數(shù)據(jù)v3當頻率信號FG的下一邊沿被輸入時被方框701利用。方框713把在方框710上已計算出的數(shù)字數(shù)據(jù)b加到數(shù)字數(shù)據(jù)P1上，并把其結果作為存儲數(shù)據(jù)M3存儲在存儲器中。該存儲數(shù)據(jù)M3在方框711-712當頻率信號的下一邊沿輸入時被使用。該方塊713相當于圖6所示的滯后單元63進行的操作。
按照第五實施例的擾動轉矩觀測器的操作順序，計算估計擾動信號d2的過程比第四實施例簡單得多。在第四實施例的操作順序中，雖然在輸出估計擾動信號d2之前需要兩個乘法，而在第五實施例的操作順序中，只需要一步乘法。
按照第五實施例，因為由于處理器操作的時間滯后被縮短了，由時間滯后產(chǎn)生的伺服性能變差被減少了。
下面描述本發(fā)明的第6實施例，它是為了在較大程度上減少由操作時間滯后引起的伺服性能變差根據(jù)第五實施例的改型。
圖8是說明第六實施例的操作順序流程圖。第六實施例的結構和第五實施例相同。
在圖8中，方框80-81加到圖7A所示的操作順序上，其它方框和圖7A、7B和7C的相同。
首先，通過方框50、51、52和70計算估計擾動信號d2。這些方框的操作已經(jīng)說明過了。接著，在方框80，借助于把估計擾動信號d2加到控制信號C上，它是先前計算出的并且下面稱為Cn-1，并且把結果作為驅動信號D輸出來進行第一轉矩校正。該方框80相當于轉矩校正單元10進行的操作。在方框81，驅動信號D被提供給D/A轉換器。該D/A轉換器立即根據(jù)驅動信號D供給驅動電路150電壓。
然后，在方框54計算控制信號C，下面稱為Cn。在方框55，借助于把估計擾動信號d2加到控制信號Cn上并把結果作為驅動信號D輸出來進行第二轉矩校正，該方框55相當于轉矩校正單元10進行的操作。在方框56，在方框55算出的驅動信號D和在方框54算出的控制信號Cn分別作為存儲數(shù)據(jù)M1和控制信號Cn-1存儲在存儲器中。最后，在方框57，在方框55算出的驅動信號D再次提供給D/A轉換器。該D/A轉換器立即供給驅動電路150一相應于這一驅動信號D的電壓。在方框57的操作之后，操作返回方框50，上述操作被重復進行，與頻率信號FG同步。
在另一方面，驅動電路150供給電機100相應于其電壓輸入的驅動電流Ia，結果，電機100的速度被控制得減小周期誤差為零因而保持恒定。
根據(jù)上述第三、第四和第五實施例的操作順序，在估計擾動信號d2的計算完成的時刻和控制信號C的轉矩校正進行的時刻之間有一時間滯后。換句話說，在方框54計算控制信號C的操作時間成為這一時間滯后。這一時間滯后引起了變差的伺服性能，如果和采樣周期相比是不可忽略的話。
不過，本發(fā)明第六實施例的操作順序設計得不產(chǎn)生這一時間滯后。換句話說，在第六實施例的操作順序中，第一轉矩校正在方框80在計算估計擾動d2之后立即進行并輸出驅動信號。然后，第二轉矩校正在方框55在計算控制信號Cn之后進行并再次輸出驅動信號D。結果，按照本發(fā)明的第六實施例，即使計算控制信號C的操作時間不能忽略也不產(chǎn)生由于所述時間滯后引起的伺服性能變差。
本發(fā)明的第七實施例說明如下，它是第三實施例的改型。在這一實施例中，電機起動時的伺服性能也被考慮了。
圖9表示本發(fā)明的第七實施例。在圖9中，在圖2A所示的結構中增加了判斷單元20。判斷單元20判斷周期誤差△TFG的大小并向擾動轉矩觀測器2提供相應于判斷結果的重置信號Re。此外，圖9所示的擾動轉矩觀測器2和圖3所示的有相同的結構，并且其它元件和圖2A所示的相同。
圖10A是說明第七實施例的操作順序的流程圖，圖10B是說明起動圖3所示的擾動轉矩觀測器2的過程的操作順序流程圖。
首先考慮電機100由停止然后起動的情況。在這種情況下，首先，相應于電機100起動所需的起動轉矩的電壓借助于處理器通過D/A轉換器輸出。該電壓被供給驅動電路150。驅動電路150把相應于所述電壓的驅動電流Ia供給電機100，然后，電機100開始轉動。電機100起動之后，頻率發(fā)生器110發(fā)出其頻率正比于電機速度的頻率信號FG。頻率信號FG被輸入到處理器并進行圖10A所示的操作順序。
在圖10A所示的操作順序中，在圖4A所示的操作順序上增加了方框90-93。因為其它方框都已說明過了，它們的描述被省略。
在方框90，確定周期誤差△TFG的大小是否在一固定的范圍內(nèi)。如果在此范圍內(nèi)，在框91把重置信號Re設定為低電平，如果不在此范圍內(nèi)，在方框92把重置信號Re設置為高電平。一般地，固定的范圍設定為所需周期Tr的大約5%。甚至在如圖11所示的常規(guī)電機控制裝置中這些范圍在電機起動之后立即就被滿足了。
當重置信號Re被設定為低電平時，圖10A所示的操作順序和圖4所示的相同。因此，當重置信號Re被置為高電平時進行的操作順序描述如下。
當重置信號Re設置為高電平時，電機100的速度不處在穩(wěn)定條件下。因而，擾動轉矩觀測器2不能精確地消除擾動轉矩，因為電機100的速度ω的時域函數(shù)y(t)和頻率信號FG的周期TFG的時域函數(shù)x(t)之間的微分方程不再滿足，該方程如式(5)所示。由于這一原因，在方框93，擾動轉矩觀測器2的操作被初始化。
如圖10B所示，方框93由兩個方框930和931構成。在方框930，先前存儲在存儲器中的存儲數(shù)據(jù)M1被置為零。在方框931，估計擾動信號d2也被置為零。
在初始化操作之后，進行方框54-57的操作。不過，在方框55，基本上不進行轉矩校正，因為在方框931已把估計擾動信號d2置為零。
如上所述，在本發(fā)明的第七實施例中，當周期誤差△TFG超出固定范圍時，基本上不進行轉矩校正。因此，按照這一實施例，電機被平滑地起動，因為阻止了相應于不精確的估計擾動信號的轉矩校正。在電機起動完成并且其速度達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，可以獲得如式(10)所示的擾動抑制的效果。
在這一實施例的說明中，只說明了速度控制。不過，用常規(guī)技術對每一實施例增加一個對電機進行轉相(rotationalphase)控制的裝置是容易的、雖然被轉矩校正電路10輸出的驅動信號D被輸入給擾動轉矩觀測器1或2，也可以用供給電機100的驅動電流Ia來代替驅動信號D。
在本發(fā)明的第二、第三、第四、第五、第六和第七實施例的描述中，周期誤差被送入擾動轉矩觀測器2。不過，可以用周期檢測器120輸出的檢測周期TFG來代替周期誤差△TFG。而且，不用檢測周期TFG，任何其它信號都可使用，只要這些信號本質(zhì)上相當于頻率信號FG的周期。
本發(fā)明的第三、第四、第五、第六和第七實施例是針對軟件伺服的情況描述的。然而，這些實施例當然也可以用硬件來實現(xiàn)。
而且，在第四、第五、第六和第七實施例中，電機100的檢測速度信號或速度誤差信號可以用作擾動轉矩觀測器2的輸入信號而不用周期誤差信號△TFG。
除這些實施例之外，只要發(fā)明目的不變，任何改型都是可能的。
權利要求
1.一種電動機控制裝置，用來在存在擾動轉矩時根據(jù)頻率信號的周期保持電機速度恒定，包括頻率發(fā)生器，用來產(chǎn)生其頻率正比于電機速度的頻率信號；用來檢測所述頻率信號的周期的周期檢測器；用來產(chǎn)生周期誤差信號的比較器，該誤差信號與所需周期和來自所述周期檢測器的檢測周期信號之差相對應；按照所述周期誤差信號計算控制信號的算法單元，根據(jù)驅動信號給電機供給電機驅動電路；用來由所述檢測周期信號和所述驅動信號產(chǎn)生估計擾動信號的擾動轉矩觀測器，所述估計擾動信號是施加到電機上的擾動轉矩轉換成的電信號，而不是擾動轉矩本身的計算值；以及轉矩校正單元，借助于把所述控制信號加到所述估計擾動信號上以產(chǎn)生所述驅動信號。
2.按照權利要求1的電動機控制裝置，其特征在于所述擾動轉矩觀測器包括用固定系數(shù)乘所述檢測周期信號的裝置;用來從所述驅動信號中減去所述乘裝置的輸出的裝置;用來對所述減裝置的輸出進行低通濾波的低通濾波器;以及借助于把所述乘裝置的輸出加到所述低通濾波器輸出上以便計算所述估計擾動信號的裝置。
3.按照權利要求2的電動機控制裝置，其特征在于所述擾動轉矩觀測器按照與所述頻率信號同步軟件程序而操作。
4.按照權利要求2的電機控制裝置，其特征在于所述低通濾波器的傳遞函數(shù)為α2(1+z-1)/(1-α1z-1)，其中z-1是一個采樣時間的滯后單元，α1，α2是代表用來確定所述低通濾波器截止頻率的常數(shù)。
5.按照權利要求4的電動機控制裝置，其特征在于，所述低通濾波器的操作部分在所述擾動轉矩觀測器輸出估計擾動信號之后進行。
6.按照權利要求2的電動機控制裝置，其特征在于，所述低通濾波器的傳遞函數(shù)為β2z-1/(1-β1z-1)，其中z-1是一個采樣時間的滯后單元，β1、β2是代表用來確定所述低通濾波器的截止頻率的常數(shù)。
7.按照權利要求6的電動機控制裝置，其特征在于，所述減法操作及所述低通濾波器的操作部分在所述擾動轉矩觀測器輸出估計擾動信號后進行。
8.按照權利要求2的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述算法單元和轉矩校正單元根據(jù)與所述頻率信號同步的軟件程序操作，在所述擾動轉矩觀測器輸出估計擾動信號之后，所述轉矩校正單元立即進行第一轉矩校正，在所述算法單元輸出所述控制信號之后，立即進行第二轉矩校正。
9.一種電動機控制裝置，用來在存在擾動轉矩時根據(jù)頻率信號的周期保持電動機速度恒定，包括用來產(chǎn)生其頻率與電機速度成正比的頻率信號的頻率發(fā)生器;用來檢測所述頻率信號周期的周期檢測器;用來產(chǎn)生周期誤差信號的比較器，周期誤差信號為所需周期與來自周期檢測器的檢測周期信號之差;用來根據(jù)所述周期誤差信號計算控制信號的算法單元;用來根據(jù)驅動信號給電機供電的電機驅動電路;用來由所述周期誤差信號和所述驅動信號產(chǎn)生估計擾動信號的擾動轉矩觀測器，估計擾動信號是施加在電機上的擾動轉矩轉換成的電信號，而不計算擾動轉矩本身;以及用來把所述控制信號加到所述估計擾動信號上產(chǎn)生所述驅動信號的轉矩校正單元。
10.按照權利要求9的電動機控制裝置，其特征在于，所述擾動轉矩觀測器包括用固定系數(shù)乘所述周期誤差信號的裝置;把所述乘裝置的輸出加到所述驅動信號上的裝置;用來對所述加裝置的輸出進行低通濾波的低通濾波器;以及借助于從所述低通濾波器的輸出減去乘裝置的輸出從而計算所述估計擾動信號的裝置。
11.按照權利要求10的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述擾動轉矩觀測器按照與所述頻率信號同步的軟件程序操作。
12.按照權利要求10的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述低通濾波器的傳遞函數(shù)為α2(1+z-1)/(1-α1z-1)，其中z-1是一個采樣時間的滯后單元，α1、α2代表確定所述低通濾波器的截止頻率的常數(shù)。
13.按照權利要求12的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述低通濾波器操作部分在所述擾動轉矩觀測器輸出所述估計擾動信號之后進行。
14.按照權利要求10的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述低通濾波器的傳遞函數(shù)為β2z-1/(1-β1z-1)，其中z-1是一個采樣時間的滯后單元，β1、β2代表確定所述低通濾波器截止頻率的常數(shù)。
15.按照權利要求14的電動機控制裝置，其特征在于，其中加裝置的操作和所述低通濾波器操作部分在所述擾動轉矩觀測器輸出所述估計擾動信號之后進行。
16.按照權利要求10的電動機控制裝置，其特征在于，其中所述算法單元和轉矩校正單元按照與所述頻率信號同步的軟件程序操作，在所述擾動轉矩觀測器輸出估計擾動信號之后，所述轉矩校正單元立即進行第一轉矩校正，在所述算法單元輸出所述控制信號之后，立即進行第二轉矩校正。
17.按照權利要求1-16中任一個的電機控制裝置，其特征在于，進一步包括用來判定所述周期誤差信號是否在一固定范圍之內(nèi)的判定單元，當所述判定單元確定所述周期誤差信號在所述范圍之外時，所述轉矩校正單元被禁止把估計擾動信號加到控制信號上。
全文摘要
按其頻率正比于電機速度的頻率信號的檢測周期控制電機速度的電機控制裝置，根據(jù)驅動信號驅動電機，使其速度保持恒定。電機控制裝置包括接收驅動信號和檢測周期信號的擾動轉矩觀測器，它產(chǎn)生相當于把擾動轉矩轉換成電信號的估計擾動信號；產(chǎn)生周期誤差信號的比較器，周期誤差信號是檢測周期與所需周期之差；根據(jù)周期誤差信號產(chǎn)生控制信號的算法單元；把估計擾動信號加到控制信號上產(chǎn)生驅動信號的轉矩校正單元。
文檔編號G11B15/46GK1101179SQ9312140
公開日1995年4月5日 申請日期1993年11月24日 優(yōu)先權日1992年11月24日
發(fā)明者松尾景介, 稻治利夫 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社